CƠ SƠ LÝ THUYẾT
4.1. Các đặc trưng cơ sở của các sóng âm
Về nguyên tắc, các sóng âm tạo ra bởi đầu dò sẽ đi trên một đường thẳng cho đến khi nó gặp ranh giới vật chất. Điều gì sẽ xảy ra sau đó sẽ được đề cập dưới đây. Tuy nhiên, nếu chiều dài đường âm dài hơn khoảng cách trường gần, chùm âm cũng sẽ tăng đường kính. Góc được mở rộng chùm âm của một bộ chuyển đổi khơng hội tụ có thể được tính như sau:
Hình 4.1: Độ mở rộng chùm âm của trường âm đầu dị chùm âm thẳng thơng thường
Sử dụng độ nhạy 6 dB cho góc mở rộng nửa chùm âm (α) của bộ chuyển đổi không hội tụ: α = sin−1(0,514c fD ) (4-1) Trong đó: + D: đường kính phần tử hoặc độ mở + f: tần số
+ c: vận tốc âm trong vật liệu kiểm tra
Từ phương trình này, có thể thấy được rằng độ mở rộng chùm âm tăng lên với tần số thấp hơn và đường kính nhỏ hơn. Kể từ góc độ được mở rộng chùm âm lớn hơn có thể gây ra năng lượng âm trên một đơn vị diện tích nhanh chóng giảm theo khoảng cách, hậu quả làm giảm độ nhạy với các phản xạ nhỏ, âm dội tiêu hao trong một số ứng dụng liên quan đến đường dẫn âm dài có thể được cải thiện bằng cách sử dụng tần số cao hơn hoặc đường kính lớn hơn của các bộ chuyển đổi.
30
Trong trường hợp của các phần tử hình chữ nhật, độ mở rộng chùm âm là không đối xứng theo hai hướng kích thước, chùm âm sẽ mở rộng hơn ở hướng kích thước nhỏ và hẹp hơn ở hướng kích thước lớn. Góc mở cho mỗi một trục có thể được tính tốn với cơng thức đưa ra bên dưới, sử dụng tương ứng chiều dài hoặc chiều rộng L:
α = sin−1(0,44cfL ) hoặc α = sin−1(0,44λL ) (4-2)
Các hình dưới đây mơ tả sự thay đổi được suy rộng về độ mở rộng chùm âm với những sự thay đổi về đường kính bộ chuyển đổi và tần số.
Nếu tần số là hằng số, như vậy độ mở rộng chùm âm suy giảm cùng với đường kính bộ chuyển đổi tăng lên.
a) Vận tốc 5850 m/s, đường kính 3 mm, tần số: 5 MHz
b) Vận tốc 5850 m/s, đường kính 13 mm, tần số 5 MHz
Hình 4.2: Độ mở rộng chùm âm với đường kính khác nhau
Sự suy giảm âm khi các sóng đi qua một mơi trường, mặt đầu sóng đã được tổ chức được tạo ra bởi một đầu dò siêu âm sẽ bắt đầu bị phá vỡ do sự tuyền khơng hồn hảo của năng lượng thông qua các cấu trúc vi mô của bất kỳ loại vật liệu nào. Các dao động cơ học được tổ chức (các sóng âm) chuyển thành các dao động cơ học ngẫu nhiên (nhiệt) cho đến khi mặt đầu sóng khơng cịn dị tìm được. Q trình này được gọi là sự suy giảm âm.
Suy giảm và sự tán xạ rất phức tạp. Sự mất mát của biên độ do sự suy giảm trên đường đi của âm sẽ là tổng hợp các hiệu ứng hấp thụ, hiệu ứng này tăng tuyến tính với tần số và các hiệu ứng tán xạ, mà thay đổi thông qua ba khu vực phụ thuộc vào tỷ lệ kích thước của các biên giới hạt hoặc các vật tán xạ khác theo chiều dài bước sóng. Trong mọi trường hợp, các hiệu ứng tán xạ tăng lên theo tần số. Đối với
31
một vật liệu nhất định ở một nhiệt độ nhất định, được kiểm tra ở một tần số nhất định sẽ có một hệ số suy giảm cụ thể. Một khi hệ số suy giảm này được biết đến, tổn thất trên đường đi nhất định của âm có thể được tính theo phương trình:
p = p0. e−ad (4-3)
Trong đó:
+ p: áp suất âm ở cuối đường âm
+ po: áp suất ở bắt đầu đường âm
+ e: số cơ bản của Logarith
+ a: hệ số suy giảm âm
+ d: chiều dài đường âm
Như một vấn đề thực tế, trong các ứng dụng NDT với siêu âm hệ số suy giảm thường được đo chứ khơng phải được tính tốn. Tần số cao hơn sẽ được suy yếu nhanh hơn so với tần số thấp hơn trong một môi trường bất kỳ, như vậy tần số kiểm tra thấp thường được sử dụng trong các vật liệu với các hệ số suy giảm cao.
4.2. Đầu dò
Độ mở hoạt động là tổng chiều dài hoạt động của đầu dị. Chiều dài độ mở được tính theo cơng thức:
A = n.p (4-4)
Trong đó:
+ A: độ mở hoạt động
+ p: khoảng cách giữa trung tâm của hai phần tử kề nhau
+ n: số phần tử
32
Ảnh hưởng của độ mở hoạt động là một đối tượng mở theo chiều dài của tia khúc xạ:
𝐴𝑒𝑓𝑓 =𝐴 cos 𝛽𝐴
cos 𝛼𝐼 (4-5)
Hình 4.4: Ảnh hưởng của độ mở
Độ mở hoạt động nhỏ nhất (Amin) là độ mở nhỏ nhất có được từ sự hội tụ tại góc bị khúc xạ lớn nhất. 𝐴𝑚𝑖𝑛 = 2 [𝐹(𝑣𝑅2− 𝑣𝐼2𝑠𝑖𝑛2𝛽𝑅) 𝑓𝑣𝑅𝑐𝑜𝑠2𝛽𝑅 ] 0,5 (4-6) Trong đó:
+ vI: vận tốc trong dung môi đầu tiên
+ vR: vận tốc trong mẫu kiểm tra
+ f: tần số siêu âm
+ F: chiều dày hội tụ từ góc bị khúc xạ lớn nhất
+ βR: góc bị khúc xạ lớn nhất trong mẫu kiểm tra
Độ mở bị động (W) là chiều dài phần tử hoặc chiều rộng đầu dò. Độ mở bị động được xác định bởi tần số đầu dò và phạm vi chiều cao hội tụ:
𝑊 = 1,4[𝜆(𝐹𝑚𝑖𝑛 + 𝐹𝑚𝑎𝑥)]0,5 (4-7)
Bước cơ sở là khoảng cách giữa trung tâm của hai phần tử kề nhau:
33
Khoảng cách giữa các phần tử (g) là chiều rộng của lớp cách âm giữa hai phần tử kề nhau.
Hoặc bước cơ sở có thể được tính bằng cơng thức:
𝑝 < 0,67𝜆 (4-9)
Chiều rộng phần tử (e) là chiều rộng của một phần tử đơn trong đầu dò:
𝑒𝑑𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 =𝜆
2 (4-10)
4.3. Nêm
Đầu dị PA tuyến tính hầu hết được sử dụng kết hợp với nêm.
Độ trễ nêm (Dw) là khoảng thời gian đi qua các góc cụ thể ở trong nêm (toàn bộ đường dẫn).
Khảo sát góc độ tia cho góc bị khúc xạ cụ thể theo định luật Snell:
𝛼𝑖 = 𝑠𝑖𝑛−1(𝑣𝑤𝑒𝑑𝑔𝑒sin 𝛽𝑟
𝑣𝑡𝑒𝑠𝑡 𝑝𝑖𝑒𝑐𝑒 ) (4-11)
Khảo sát chiều cao ở giữa của đầu dò siêu âm PA:
𝐸ℎ = (𝐿1+ 𝐿2) sin 𝜔 = [𝐻1+𝑝
2(𝑛 − 1)] sin 𝜔 (4-12)
Khảo sát bước siêu âm trong nêm:
𝑃𝑤𝑒𝑑𝑔𝑒 = 𝐸ℎ
𝑐𝑜𝑠 ∝𝑖 (4-13)
Khảo sát độ trễ nêm:
𝐷𝑤 = 2𝑃𝑤𝑒𝑑𝑔𝑒
𝑣𝑤𝑒𝑑𝑔𝑒 (4-14)
34
Đối với nêm thẳng cần xác định chiều dày của nêm:
𝑣 𝑡ℎé𝑝
𝑡𝑡ℎé𝑝 =
𝑣 𝑛ê𝑚
𝑡𝑛ê𝑚 (4-15)
Đầu dò và nêm đối với chi tiết cong.
Đầu dò khi tiếp xúc với (A phương vị, B vật bên… ) phải lớn hơn:
𝐴 (𝐵) > 0,5𝐷𝑝𝑎𝑟𝑡0,5 (4-16)
Trong đó: 𝐷𝑝𝑎𝑟𝑡 là một phần đường kính
Nếu khoảng cách tại biên (bề mặt lồi) hoặc tạo điểm giữa (quét bị lõm) mà lớn hơn 0.5 mm, nêm phải được làm trịn thành một phần.
Hình 4.6: Khoảng cách lớn nhất cho phép cho một nêm phẳng trên bề mặt cong Vị trí đầu dị trên bề mặt cong cho phép xác định khuyết tật dọc trục hoặc theo phương ngang.
Hình 4.7: Nêm của đầu dị trên bề mặt cong